JP2019117721A - 発電セル - Google Patents

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Abstract

【課題】端部流路溝内を流れる反応ガスの流量の低下を抑えることができる発電セルを提供する。【解決手段】発電セル10において、アノード電極42における電解質膜40とは反対側の面42sには、アノード電極42の外周部42outに位置する外周面42s1と、樹脂枠部材46の内周部46inよりも内方に位置する中央面42s2と、外周面42s1及び中央面42s2を互いに連結する段差部42s3とが設けられている。中央面42s2は、外周面42s1よりも電解質膜40からの高さが低い。端部線状突起58a1の突出端面59は、中央面42s2に接触している。【選択図】図2

Description

本発明は、ビードシールと反応ガス流路とが設けられた金属セパレータを備えた発電セルに関する。
燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体(MEA)を備える。MEAは、金属セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、発電セル(単位燃料電池)が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
この種の発電セルでの金属セパレータには、MEAの発電面に沿って金属セパレータの一端から他端に向かって反応ガスを流す反応ガス流路が形成されている(例えば、特許文献1参照)。反応ガス流路は、金属セパレータの一端から他端に向かって延在する複数の線状突起と、複数の線状突起間に形成された複数の流路溝とを有する。
特許第5239091号公報
ところで、発電セルは、電極の外周部に挟持された状態で外方に突出するとともに外周部を周回する樹脂枠部材を備えたものがある。このような発電セルにおいて、電極における電解質膜とは反対側の面には、外周部に位置する外周面と樹脂枠部材の内端よりも内方且つ外周面よりも電解質膜からの高さが低い中央面とを互いに連結する段差部が設けられる。
この場合、複数の線状突起のうち反応ガス流路の流路幅方向の端部に位置する端部線状突起の突出端面(突起の先端の面)が、中央面に離間した状態で電極の外周面に接触すると、端部線状突起の突出端面と中央面との間に隙間(バイパス流路)が形成される。そうすると、複数の流路溝のうち反応ガス流路の流路幅方向の端部に位置する端部流路溝を流れる反応ガスがバイパス流路に導かれ、端部流路溝内を流れる反応ガスの流量が低下するおそれがある。
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、端部流路溝内を流れる反応ガスの流量の低下を抑えることができる発電セルを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明に係る発電セルは、電解質膜の両側に電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配置された金属セパレータと、一方の前記電極の外周部と他方の前記電極の外周部に挟持された状態で前記電極の外周部から外方に突出するとともに前記電極の外周部を周回する樹脂枠部材と、を備え、前記金属セパレータの一端から他端に向かって延在する複数の線状突起と、複数の前記線状突起間に形成された複数の線状流路溝とを有し、前記一端から前記他端に向かって発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するシールが設けられた発電セルにおいて、一方の前記電極における前記電解質膜とは反対側の面には、一方の前記電極の外周部に位置する外周面と、前記樹脂枠部材の内端よりも内方に位置する中央面と、前記外周面と前記中央面とを互いに連結する段差部と、が設けられ、前記中央面は、前記外周面よりも前記電解質膜からの高さが低く、複数の前記線状突起のうち前記反応ガス流路の流路幅方向の端部に位置する端部線状突起の突出端面は、前記中央面に接触していることを特徴とする。
上記の発電セルにおいて、前記端部線状突起の前記突出端面は、前記端部線状突起の全長に亘って前記中央面に接触していることが好ましい。
上記の発電セルにおいて、前記端部線状突起の前記突出端面は、前記中央面と前記段差部との境界上又は前記境界の近傍に位置していることが好ましい。
上記の発電セルにおいて、各前記線状流路溝は、波状に延在し、前記端部線状突起のうち前記線状流路溝側の側壁は、前記線状流路溝に沿って波状に延在し、前記端部線状突起のうち前記線状流路溝とは反対側の側壁は、前記境界に沿って直線状に延在していることが好ましい。
上記の発電セルにおいて、少なくとも一方の前記金属セパレータには、前記端部線状突起と前記シールとの間に、前記外周面に接触して反応ガスのバイパスを防止するバイパス止め凸状部が設けられていることが好ましい。
上記の発電セルにおいて、前記シールは、前記金属セパレータに膨出成形されたビードシールであることが好ましい。
本発明の発電セルによれば、端部線状突起の突出端面と電極の中央面との間にバイパス流路となる隙間が形成されないため、端部線状流路内の反応ガスの流量の低下を抑えることができる。
本発明の一実施形態に係る発電セルの分解斜視図である。 図1及び図4におけるII−II線に沿った発電セルの断面図である。 第1金属セパレータ側から見た発電セルの平面図である。 第1金属セパレータの要部拡大平面図である。 第2金属セパレータ側から見た発電セルの平面図である。 第2金属セパレータの要部拡大平面図である。 図4におけるVII−VII線に沿った断面図である。
以下、本発明に係る発電セルについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
図1に示す単位燃料電池を構成する発電セル10は、樹脂枠部材付きMEA28と、樹脂枠部材付きMEA28の一方面側(矢印A1方向側)に配置された第1金属セパレータ30と、樹脂枠部材付きMEA28の他方面側(矢印A2方向側)に配置された第2金属セパレータ32とを備える。複数の発電セル10が、例えば、矢印A方向(水平方向)又は矢印C方向(重力方向)に積層されるとともに、積層方向の締付荷重(圧縮荷重)が付与されて、燃料電池スタック12が構成される。燃料電池スタック12は、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車(図示せず)に搭載される。
第1金属セパレータ30及び第2金属セパレータ32は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。互いに隣接する発電セル10における一方の発電セル10の第1金属セパレータ30と、他方の発電セル10の第2金属セパレータ32とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ33を構成する。
発電セル10の長辺方向である水平方向の一端縁部(矢印B1方向側の縁部)には、積層方向(矢印A方向)に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔38bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔38bは、鉛直方向(矢印C方向)に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔34aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔36aは、冷却媒体、例えば、水を供給する。燃料ガス出口連通孔38bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
発電セル10の長辺方向他端縁部(矢印B2方向の縁部)には、積層方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔36b及び酸化剤ガス出口連通孔34bが設けられる。燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔36b及び酸化剤ガス出口連通孔34bは、鉛直方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔38aは、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔36bは、冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔34bは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔34a及び酸化剤ガス出口連通孔34bと燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bの配置は、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。
図2に示すように、樹脂枠部材付きMEA28は、電解質膜・電極構造体(以下、「MEA28a」と表記する)と、MEA28aの外周部に設けられた枠形状の樹脂枠部材46とを備える。
MEA28aは、電解質膜40と、電解質膜40を挟持するアノード電極42及びカソード電極44とを有する。電解質膜40は、例えば、固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜40は、アノード電極42の外周部42outとカソード電極44の外周部44outとに挟持される。電解質膜40は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用することができる。
カソード電極44は、電解質膜40の一方の面に接合される第1電極触媒層44aと、第1電極触媒層44aに積層される第1ガス拡散層44bとを有する。アノード電極42は、電解質膜40の他方の面に接合される第2電極触媒層42aと、第2電極触媒層42aに積層される第2ガス拡散層42bとを有する。
第1電極触媒層44a及び第2電極触媒層42aは、電解質膜40の両面に形成される。第1電極触媒層44aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第1ガス拡散層44bの表面に一様に塗布されて形成される。第2電極触媒層42aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第2ガス拡散層42bの表面に一様に塗布されて形成される。第1ガス拡散層44b及び第2ガス拡散層42bは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。
図1に示すように、樹脂枠部材46の矢印B1方向側の縁部には、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔38bが設けられる。樹脂枠部材46の矢印B2方向の縁部には、燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔36b及び酸化剤ガス出口連通孔34bが設けられる。
図2に示すように、樹脂枠部材46は、内周部がMEA28aの外周部に接合された第1枠状シート46aと、第1枠状シート46aに接合された第2枠状シート46bとを有する。第1枠状シート46aと第2枠状シート46bとは、接着剤からなる接着層46cにより、厚さ方向に互いに接合されている。第2枠状シート46bは、第1枠状シート46aの外周部に接合される。第2枠状シート46bの厚さは、第1枠状シート46aの厚さよりも厚い。第2枠状シート46bの厚さは、第1枠状シート46aの厚さと同じでもよい。
第1枠状シート46a及び第2枠状シート46bは電気絶縁性を有する樹脂材料により構成される。第1枠状シート46a及び第2枠状シート46bの構成材料としては、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、m−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)又は変性ポリオレフィン等が挙げられる。
樹脂枠部材46の内周部46in(第1枠状シート46aの内周部)は、アノード電極42の外周部42outとカソード電極44の外周部44outとに挟持される。具体的に、樹脂枠部材46の内周部46inは、電解質膜40の外周部40outとアノード電極42の外周部42outとの間に挟持される。樹脂枠部材46の内周部46inと電解質膜40の外周部40outとは、接着層46cを介して接合される。なお、樹脂枠部材46の内周部46inは、電解質膜40の外周部40outとカソード電極44の外周部44outとの間に挟持されてもよい。
アノード電極42のうち電解質膜40とは反対側の面42sには、アノード電極42の外周部42outに位置する外周面42s1と、樹脂枠部材46の内端46eよりも内方に位置する中央面42s2と、外周面42s1及び中央面42s2を互いに連結する段差部42s3とが設けられている。
外周面42s1及び中央面42s2は、MEA28aの発電面に平行な平坦面である。中央面42s2は、外周面42s1よりもカソード電極44側に位置している。段差部42s3は、外周面42s1から中央面42s2に向かってMEA28a側に傾斜した傾斜面である。なお、カソード電極44のうち電解質膜40とは反対側の面44sは、MEA28aの発電面に平行な平坦面である。カソード電極44側でもアノード電極42側の段差部42s3と同様な段差部が形成されてもよい。
図3に示すように、第1金属セパレータ30の樹脂枠部材付きMEA28に向かう面30a(以下、「表面30a」という)には、例えば、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路48が形成される。
酸化剤ガス流路48は、酸化剤ガス入口連通孔34a及び酸化剤ガス出口連通孔34bに流体的に連通する。酸化剤ガス流路48は、矢印B方向に延在する複数本の波状の線状突起48a間に形成された複数の波状の線状流路溝48bを有する。従って、酸化剤ガス流路48では、複数の線状突起48aと複数の線状流路溝48bとが流路幅方向(矢印C方向)に交互に配置されている。各線状突起48aと各線状流路溝48bとは、波状に延在しているが、直線状に延在していてもよい。
線状突起48aの幅方向(矢印C方向)両側の側壁は、セパレータ厚さ方向に対して傾斜しており、線状突起48aの横断面形状は台形状である。なお、線状突起48aの幅方向両側の側壁は、セパレータ厚さ方向と平行であり、線状突起48aの横断面形状は矩形状であってもよい。
以下、複数の線状突起48aのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部線状突起48a1」という。端部線状突起48a1は、第1ガス拡散層44bの外端44beよりも内側に配置されている。
第1金属セパレータ30の表面30aにおいて、酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス流路48との間には、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部50aからなるエンボス列を複数有する入口バッファ部50Aが設けられる。また、第1金属セパレータ30の表面30aにおいて、酸化剤ガス出口連通孔34bと酸化剤ガス流路48との間には、複数個のエンボス部50bからなるエンボス列を複数有する出口バッファ部50Bが設けられる。
なお、第1金属セパレータ30の、酸化剤ガス流路48とは反対側の面30bには、入口バッファ部50Aの上記エンボス列間に、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部67aからなるエンボス列が設けられるとともに、出口バッファ部50Bの上記エンボス列間に、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部67bからなるエンボス列が設けられる(図1参照)。冷媒面側に突出するエンボス部67a、67bは、冷媒面側のバッファ部を構成する。
第1金属セパレータ30の表面30aには、プレス成形によりビードシールとしての第1シールライン52が樹脂枠部材付きMEA28(図1)に向かって膨出成形される。第1シールライン52は、ビードシールでなくてもよく、第1金属セパレータ30に一体又は別体に設けられた弾性を有するゴムシールであってもよい。詳細は図示しないが、第1シールライン52の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されてもよい。なお、当該樹脂材はなくてもよい。
第1シールライン52は、複数の連通孔(酸化剤ガス入口連通孔34a等)を個別に囲む複数のビードシール(以下、「連通孔ビード部53」という)と、酸化剤ガス流路48、入口バッファ部50A及び出口バッファ部50Bを囲むビードシール(以下、「外周側ビード部54」という)とを有する。
複数の連通孔ビード部53は、第1金属セパレータ30の表面30aからMEA28aに向かって突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔34a、酸化剤ガス出口連通孔34b、燃料ガス入口連通孔38a、燃料ガス出口連通孔38b、冷却媒体入口連通孔36a及び冷却媒体出口連通孔36bの周囲をそれぞれ個別に周回する。以下、複数の連通孔ビード部53のうち、酸化剤ガス入口連通孔34aを囲むものを「連通孔ビード部53a」と表記し、酸化剤ガス出口連通孔34bを囲むものを「連通孔ビード部53b」と表記する。
第1金属セパレータ30には、連通孔ビード部53a、53bの内側(酸化剤ガス入口連通孔34a、酸化剤ガス出口連通孔34b側)及び外側(酸化剤ガス流路48側)を連通するブリッジ部80、82が設けられる。酸化剤ガス入口連通孔34aを囲む連通孔ビード部53aの、酸化剤ガス流路48側の辺部に、ブリッジ部80が設けられる。酸化剤ガス出口連通孔34bを囲む連通孔ビード部53bの、酸化剤ガス流路48側の辺部に、ブリッジ部82が設けられる。
ブリッジ部80、82は、連通孔ビード部53a、53bの内側及び外側にそれぞれ複数本のトンネル80t、82tを有する。トンネル80t、82tは、プレス成形により、第1金属セパレータ30の表面30aから樹脂枠部材付きMEA28側に向かって突出成形される。
酸化剤ガス流路48の流路幅方向両端部(端部線状突起48a1)と外周側ビード部54との間に、酸化剤ガスの酸化剤ガス入口連通孔34aから酸化剤ガス出口連通孔34bへのバイパスを防止する第1バイパス止め凸状部84が設けられている。本実施形態では、酸化剤ガス流路48の流路幅方向は、長方形状の第1金属セパレータ30の短辺に沿った方向(矢印C方向)である。第1バイパス止め凸状部84は、樹脂枠部材付きMEA28(図2参照)側に向かって突出成形される。第1バイパス止め凸状部84は端部線状突起48a1の延在方向(矢印B方向)に間隔を置いて複数個配置されている。第1バイパス止め凸状部84の高さは、組付け前の状態でビードシール54よりも低い。
図4において、第1バイパス止め凸状部84の幅方向(矢印B方向)両側の側壁84sは、セパレータ厚さ方向に対して傾斜しており、第1バイパス止め凸状部84の横断面形状は台形状である。なお、第1バイパス止め凸状部84の幅方向両側の側壁84sは、セパレータ厚さ方向と平行であり、第1バイパス止め凸状部84の横断面形状は矩形状であってもよい。
端部線状突起48a1は、外周側ビード部54に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部87と、外周側ビード部54に対して突出するように湾曲した凸状湾曲部88とを有する。複数個の第1バイパス止め凸状部84は、端部線状突起48a1の凹状湾曲部87と外周側ビード部54との間に設けられた第1バイパス止め凸状部84aと、端部線状突起48a1の凸状湾曲部88と外周側ビード部54との間に設けられた第1バイパス止め凸状部84bとを含む。第1バイパス止め凸状部84aと第1バイパス止め凸状部84bとは、端部線状突起48a1の延在方向に沿って互いに間隔を置いて交互に配置されている。
一方の第1バイパス止め凸状部84aは、一端が外周側ビード部54に繋がり、他端が端部線状突起48a1の凹状湾曲部87に繋がっている。他方の第1バイパス止め凸状部84bは、一端が外周側ビード部54に繋がり、他端が端部線状突起48a1の凸状湾曲部88に繋がっている。互いに隣接する第1バイパス止め凸状部84a、84bの間には、MEA28aの外周部を支持する中間凸状部89が設けられている。
中間凸状部89は、樹脂枠部材付きMEA28に向かって突出している。中間凸状部89の高さは、第1バイパス止め凸状部84aの高さと同じである。中間凸状部89は、線状突起48aと交差する方向に延びる形状を有する。中間凸状部89は、互いに隣接する第1バイパス止め凸状部84a、84bの間に、複数個ずつ配置されている。図4では、中間凸状部89は、互いに隣接する第1バイパス止め凸状部84a、84bの間で、端部線状突起48a1の延在方向に沿って間隔を置いて配置されている。中間凸状部89は、積層方向から見て、第1ガス拡散層44bの外端44beを含む外周部44outに重なる位置に配置されている。
第1金属セパレータ30には、端部線状突起48a1の凹状湾曲部87と第1バイパス止め凸状部84aとの間に、カソード電極44(第1ガス拡散層44b)を支持する第1支持用凸状部85が設けられる。第1支持用凸状部85は、プレス成形により、樹脂枠部材付きMEA28に向かって突出成形される。本実施形態では、第1支持用凸状部85は、第1バイパス止め凸状部84aに一体的に連なるとともに、端部線状突起48a1の凹状湾曲部87に一体的に連なっている。
図2に示すように、第1支持用凸状部85は、MEA28aと樹脂枠部材46とが厚さ方向に重なる位置でカソード電極44(第1ガス拡散層44b)を支持する。図3に示すように、第1支持用凸状部85は、枠形状の樹脂枠部材46の内周部46inに対応する位置(積層方向から見て、樹脂枠部材46の内周部46inに重なる位置)に設けられている。
図4に示すように、第1支持用凸状部85は、カソード電極44に対して凹む凹部85aを有する。凹部85aは、第1バイパス止め凸状部84aの延長線上に配置されている。凹部85aは、複数個の第1支持用凸状部85に対応して設けられている。すなわち、凹部85aは、端部線状突起48a1の延在方向に沿って複数個設けられている。
図5に示すように、第2金属セパレータ32の樹脂枠部材付きMEA28に向かう面32a(以下、「表面32a」という)には、例えば、矢印B方向に延在する燃料ガス流路58が形成される。
燃料ガス流路58は、燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bに流体的に連通する。燃料ガス流路58は、矢印B方向に延在する複数の波状の線状突起58a間に形成された複数の波状の線状流路溝58bを有する。従って、燃料ガス流路58では、複数の線状突起58aと複数の線状流路溝58bとが流路幅方向(矢印C方向)に交互に配置されている。各線状突起58aと各線状流路溝58bとは、波状に延在しているが、直線状に延在していてもよい。
線状突起58aの幅方向(矢印C方向)両側の側壁は、セパレータ厚さ方向に対して傾斜しており、線状突起58aの横断面形状は台形状である。なお、線状突起58aの幅方向両側の側壁は、セパレータ厚さ方向と平行であり、線状突起48aの横断面形状は矩形状であってもよい。
以下、複数の線状突起58aのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部線状突起58a1」という。また、複数の線状流路溝58bのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部線状流路溝58b1」という。端部線状突起58a1は、アノード電極42の中央面42s2と段差部42s3の境界43よりも内側に配置されている(図6参照)。
第2金属セパレータ32の表面32aにおいて、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス流路58との間には、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部60aからなるエンボス列を複数有する入口バッファ部60Aが設けられる。また、第2金属セパレータ32の表面32aにおいて、燃料ガス出口連通孔38bと燃料ガス流路58との間には、複数個のエンボス部60bからなるエンボス列を複数有する出口バッファ部60Bが設けられる。
なお、第2金属セパレータ32の、燃料ガス流路58とは反対側の面32bには、入口バッファ部60Aの上記エンボス列間に、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部69aからなるエンボス列が設けられるとともに、出口バッファ部60Bの上記エンボス列間に、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部69bからなるエンボス列が設けられる。エンボス部69a、69bは、冷媒面側のバッファ部を構成する。
第2金属セパレータ32の表面32aには、プレス成形によりビードシールとしての第2シールライン62が樹脂枠部材付きMEA28に向かって膨出成形される。第2シールライン62は、ビードシールでなくてもよく、第2金属セパレータ32に一体又は別体に設けられた弾性を有するゴムシールであってもよい。詳細は図示しないが、第2シールライン62の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されている。なお、当該樹脂材はなくてもよい。
図5に示すように、第2シールライン62は、複数の連通孔(燃料ガス入口連通孔38a等)を個別に囲む複数のビードシール(以下、「連通孔ビード部63」という)と、燃料ガス流路58、入口バッファ部60A及び出口バッファ部60Bを囲むビードシール(以下、「外周側ビード部64」という)とを有する。
複数の連通孔ビード部63は、第2金属セパレータ32の表面32aから突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔34a、酸化剤ガス出口連通孔34b、燃料ガス入口連通孔38a、燃料ガス出口連通孔38b、冷却媒体入口連通孔36a及び冷却媒体出口連通孔36bの周囲をそれぞれ個別に周回する。以下、複数の連通孔ビード部63のうち、燃料ガス入口連通孔38aを囲むものを「連通孔ビード部63a」と表記し、燃料ガス出口連通孔38bを囲むものを「連通孔ビード部63b」と表記する。
第2金属セパレータ32には、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bをそれぞれ囲む連通孔ビード部63a、63bの内側(燃料ガス入口連通孔38a、燃料ガス出口連通孔38b側)及び外側(燃料ガス流路58側)を連通するブリッジ部90、92が設けられる。燃料ガス入口連通孔38aを囲む連通孔ビード部63aの、燃料ガス流路58側の辺部に、ブリッジ部90が設けられる。燃料ガス出口連通孔38bを囲む連通孔ビード部63bの、燃料ガス流路58側の辺部に、ブリッジ部92が間隔を置いて設けられる。
ブリッジ部90、92は、連通孔ビード部63a、63bの内側及び外側にそれぞれ複数本のトンネル90t、92tを有する。トンネル90t、92tは、プレス成形により、第2金属セパレータ32の表面32aから樹脂枠部材付きMEA28(図2参照)側に向かって突出成形される。
燃料ガス流路58の流路幅方向両端部(端部線状突起58a1)と外周側ビード部64との間に、燃料ガスの燃料ガス入口連通孔38aから燃料ガス出口連通孔38bへのバイパスを防止する第2バイパス止め凸状部94が設けられている。本実施形態では、燃料ガス流路58の流路幅方向は、長方形状の第2金属セパレータ32の短辺に沿った方向(矢印C方向)である。第2バイパス止め凸状部94は、樹脂枠部材付きMEA28(図2参照)側に向かって突出成形される。第2バイパス止め凸状部94は線状流路溝58bの延在方向(矢印B方向)に間隔を置いて複数個配置されている。
図6に示すように、端部線状突起58a1は、アノード電極42の段差部42s3よりも内方に位置している。具体的には、図2及び図7に示すように、端部線状突起58a1の突出端面59は、その全長に亘ってアノード電極42の外周面42s1に接触することなく中央面42s2に接触している。端部線状突起58a1の突出端面59は、アノード電極42の中央面42s2と段差部42s3との境界43の近傍に位置している。
端部線状突起58a1のうち線状流路溝48b側の第1側壁61aは、線状流路溝58bに沿って波状に延在している。端部線状突起58a1のうち線状流路溝58bとは反対側の第2側壁61bは、アノード電極42の中央面42s2と段差部42s3との境界43に沿って直線状に延在している。すなわち、端部線状突起58a1の突出端面59の幅寸法(矢印C方向に沿った寸法)は、その延在方向(矢印B方向)に向かって変化している。
端部線状突起58a1は、第2側壁61bが外周側ビード部64に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部95と、第2側壁61bが外周側ビード部64に対して突出するように湾曲した凸状湾曲部96とを有する。凸状湾曲部96と第2側壁61bとの間の幅寸法W1は、凹状湾曲部95と第2側壁61bとの間の幅寸法W2よりも小さい。詳細には、凸状湾曲部96の幅寸法W1は、端部線状突起58a1の最小幅寸法であり、凹状湾曲部95の幅寸法W2は、端部線状突起58a1の最大幅寸法である。
第2バイパス止め凸状部94の高さは、組付け前の状態でビードシール64よりも低い。複数個の第2バイパス止め凸状部94は、端部線状突起58a1の凹状湾曲部95と外周側ビード部64との間に設けられた第2バイパス止め凸状部94aと、端部線状突起58a1の凸状湾曲部96と外周側ビード部64との間に設けられた第2バイパス止め凸状部94bとを含む。一方の第2バイパス止め凸状部94aと他方の第2バイパス止め凸状部94bとは、端部線状突起58a1の延在方向に沿って互いに間隔を置いて交互に配置されている。
一方の第2バイパス止め凸状部94aは、一端が外周側ビード部64に繋がり、他端が端部線状突起58a1の凹状湾曲部95から離間している。他方の第2バイパス止め凸状部94bは、一端が外周側ビード部64に繋がり、他端が端部線状突起58a1の凸状湾曲部96に繋がっている。互いに隣接する第2バイパス止め凸状部94a、94bの間には、MEA28aの外周部を支持する中間凸状部98が設けられている。中間凸状部98は、樹脂枠部材付きMEA28に向かって突出している。中間凸状部98の高さは、第2バイパス止め凸状部94の
高さと同じである。
中間凸状部98は、互いに隣接する第2バイパス止め凸状部94a、94bの間に、複数個ずつ配置されている。互いに隣接する第2バイパス止め凸状部94a、94bの間に設けられた複数の中間凸状部98の配列方向は、互いに隣接する第1バイパス止め凸状部84a、84bの間に設けられた複数の中間凸状部89(図4)の配列方向とは異なっている。具体的に、本実施形態では、複数の中間凸状部98は、互いに隣接する第2バイパス止め凸状部94a、94bの間で、端部線状突起58a1と外周側ビード部64との離間方向(矢印C方向)に沿って間隔を置いて配置されている。中間凸状部98は、積層方向から見て、第2ガス拡散層42bの外端42beを含む外周部42outに重なる位置に配置されている。
第2金属セパレータ32には、端部線状突起58a1の凹状湾曲部95と第2バイパス止め凸状部94aとの間に、アノード電極42(第2ガス拡散層42b)を支持する第2支持用凸状部100が設けられる。第2支持用凸状部100は、プレス成形により、樹脂枠部材付きMEA28に向かって突出成形される。第2支持用凸状部100の高さは、中間凸状部98の高さと同じである。
第2支持用凸状部100は、第1支持用凸状部85(図4)と異なる形状を有する。本実施形態では、第2支持用凸状部100は、端部線状突起58a1の凹状湾曲部95及び第2バイパス止め凸状部94aから離間して配置されている。なお、第2支持用凸状部100は、端部線状突起58a1の凹状湾曲部95及び第2バイパス止め凸状部94aの少なくとも一方に一体的に連なって形成されてもよい。
第2支持用凸状部100は、枠形状の樹脂枠部材46の内周部46inに対応する位置(積層方向から見て、樹脂枠部材46の内周部46inに重なる位置)に設けられている。図7に示すように、第2支持用凸状部100は、MEA28aの外周部と樹脂枠部材46の内周部46inとが厚さ方向に重なる位置でアノード電極42(第2ガス拡散層42b)を支持する。
積層方向から見て、酸化剤ガス流路48の線状突起48aと燃料ガス流路58の線状突起58aとは、同一波長且つ互いに逆位相の波形状に形成されている。第1金属セパレータ30の第1支持用凸状部85と、第2金属セパレータ32の第2支持用凸状部100とは、線状突起58aの延在方向に沿って交互に配置される。
図1に示すように、互いに接合される第1金属セパレータ30の面30bと第2金属セパレータ32の面32bとの間には、冷却媒体入口連通孔36aと冷却媒体出口連通孔36bとに流体的に連通する冷却媒体流路66が形成される。冷却媒体流路66は、酸化剤ガス流路48が形成された第1金属セパレータ30の裏面形状と、燃料ガス流路58が形成された第2金属セパレータ32の裏面形状とが重なり合って形成される。
このように構成される発電セル10は、以下のように動作する。
まず、図1に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、酸化剤ガス入口連通孔34aに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔38aに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔36aに供給される。
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔34aから第1金属セパレータ30の酸化剤ガス流路48に導入される。そして、図3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路48に沿って矢印B方向に移動し、MEA28aのカソード電極44に供給される。
一方、図1に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔38aから第2金属セパレータ32の燃料ガス流路58に導入される。図5に示すように、燃料ガスは、燃料ガス流路58に沿って矢印B方向に移動し、MEA28aのアノード電極42に供給される。
従って、各MEA28aでは、カソード電極44に供給される酸化剤ガスと、アノード電極42に供給される燃料ガスとが、第1電極触媒層44a及び第2電極触媒層42a内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
次いで、図1に示すように、カソード電極44に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路48から酸化剤ガス出口連通孔34bへと流動し、酸化剤ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極42に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路58から燃料ガス出口連通孔38bへと流動し、燃料ガス出口連通孔38bに沿って矢印A方向に排出される。
また、冷却媒体入口連通孔36aに供給された冷却媒体は、第1金属セパレータ30と第2金属セパレータ32との間に形成された冷却媒体流路66に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、MEA28aを冷却した後、冷却媒体出口連通孔36bから排出される。
この場合、本実施形態に係る発電セル10は、以下の効果を奏する。
図2及び図7に示すように、発電セル10では、アノード電極42における電解質膜40とは反対側の面42sには、アノード電極42の外周部42outに位置する外周面42s1と、樹脂枠部材46の内端46eよりも内方に位置する中央面42s2と、外周面42s1及び中央面42s2を互いに連結する段差部42s3とが設けられている。中央面42s2は、外周面42s1よりも電解質膜40からの高さが低い。端部線状突起58a1の突出端面59は、中央面42s2に接触している。
このため、端部線状突起58a1の突出端面59とアノード電極42の中央面42s2との間にバイパス流路となる隙間が形成されない。よって、端部線状流路溝58b1内を流通する燃料ガス(反応ガス)のバイパスを防止することができる。これにより、端部線状流路溝58b1内の燃料ガスの流量の低下を抑えることができる。
端部線状突起58a1の突出端面59は、端部線状突起58a1の全長に亘って中央面42s2に接触している。そのため、端部線状流路溝58b1内の燃料ガスのバイパスを確実に防止することができる。
端部線状突起58a1の突出端面59は、中央面42s2と段差部42s3との境界43の近傍に位置している。これにより、端部線状突起58a1の突出端面59と中央面42s2との接触面積を比較的広くすることができるため、端部線状流路溝58b1内の燃料ガスのバイパスを確実に防止することができる。
図5及び図6において、各線状流路溝58bは、波状に延在している。端部線状突起58a1のうち線状流路溝58b側の第1側壁61aは、線状流路溝58bに沿って波状に延在している。端部線状突起58a1のうち線状流路溝58bとは反対側の第2側壁61bは、境界43に沿って直線状に延在している。そのため、簡易な構成により燃料ガスの流路長を長くすることができるとともに端部線状流路溝58b1内の燃料ガスのバイパスを確実に防止することができる。
第2金属セパレータ32には、端部線状突起58a1と外周側ビード部64との間に、外周面42s1に接触して燃料ガスのバイパスを防止する第2バイパス止め凸状部94が設けられている。これにより、端部線状流路溝58b1内の燃料ガスのバイパスをより確実に防止することができる。
本発明は、上述した構成に限定されない。線状突起58a及び線状流路溝58bは、第2金属セパレータ32の一端から他端に向かって直線状に延在していてもよい。端部線状突起58a1は、アノード電極42の中央面42s2と段差部42s3との境界43上に位置していてもよい。
本実施形態では、アノード電極42の面42sに段差部42s3が設けられる例を示したが、カソード電極44の面44sに段差部が設けられていてもよい。この場合、当該段差部は、カソード電極44の外周部44outに位置する外周面と、樹脂枠部材46の内端46eよりも内方に位置する中央面とを互いに連結する。そして、当該中央面は、当該外周面よりもアノード電極42側に位置する。そして、端部線状突起48a1の突出端面がアノード電極42の面42sの中央面に接触することとなる。また、カソード電極44に前記段差部が設けられる場合、アノード電極42の段差部42s3は、省略されていてもよいし、残されていてもよい。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。
10…発電セル 28…樹脂枠部材付きMEA
30…第1金属セパレータ 32…第2金属セパレータ
28a…MEA(電解質膜・電極構造体)
42…アノード電極 44…カソード電極
48a1、58a1…端部線状突起 48b、58b…線状流路溝
54、64…外周側ビード部(ビードシール)
84…第1バイパス止め凸状部 94…第2バイパス止め凸状部

Claims (6)

  1. 電解質膜の両側に電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配置された金属セパレータと、一方の前記電極の外周部と他方の前記電極の外周部に挟持された状態で前記電極の外周部から外方に突出するとともに前記電極の外周部を周回する樹脂枠部材と、を備え、
    前記金属セパレータの一端から他端に向かって延在する複数の線状突起と、複数の前記線状突起間に形成された複数の線状流路溝とを有し、前記一端から前記他端に向かって発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、
    前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するシールが設けられた発電セルにおいて、
    一方の前記電極における前記電解質膜とは反対側の面には、
    一方の前記電極の外周部に位置する外周面と、
    前記樹脂枠部材の内端よりも内方に位置する中央面と、
    前記外周面と前記中央面とを互いに連結する段差部と、が設けられ、
    前記中央面は、前記外周面よりも前記電解質膜からの高さが低く、
    複数の前記線状突起のうち前記反応ガス流路の流路幅方向の端部に位置する端部線状突起の突出端面は、前記中央面に接触している、
    ことを特徴とする発電セル。
  2. 請求項1記載の発電セルにおいて、
    前記端部線状突起の前記突出端面は、前記端部線状突起の全長に亘って前記中央面に接触している、
    ことを特徴とする発電セル。
  3. 請求項1又は2に記載の発電セルにおいて、
    前記端部線状突起の前記突出端面は、前記中央面と前記段差部との境界上又は前記境界の近傍に位置している、
    ことを特徴とする発電セル。
  4. 請求項3記載の発電セルにおいて、
    各前記線状流路溝は、波状に延在し、
    前記端部線状突起のうち前記線状流路溝側の側壁は、前記線状流路溝に沿って波状に延在し、
    前記端部線状突起のうち前記線状流路溝とは反対側の側壁は、前記境界に沿って直線状に延在している、
    ことを特徴とする発電セル。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の発電セルにおいて、
    少なくとも一方の前記金属セパレータには、前記端部線状突起と前記シールとの間に、前記外周面に接触して反応ガスのバイパスを防止するバイパス止め凸状部が設けられている、
    ことを特徴とする発電セル。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の発電セルにおいて、
    前記シールは、前記金属セパレータに膨出成形されたビードシールである、
    ことを特徴とする発電セル。
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